另辟蹊徑的TPU材料，通過(guò)FDM工藝制作組織培養(yǎng)支架

提起熱塑性聚氨酯（TPU），我們很容易將這種材料與制鞋業(yè)聯(lián)系到一起，TPU的承載能力、抗沖擊性及減震性能突出，所以非常適合用來(lái)制作壘球鞋、棒球鞋、高爾夫球鞋、足球鞋鞋底及鞋前掌。不過(guò)，科學(xué)家們對(duì) TPU的看法可不局限于此。通過(guò)使用FMD熔融擠出技術(shù)，倫敦大學(xué)學(xué)院的Achala de Mel 博士和她的研究團(tuán)隊(duì)3D打印了各種塑料管狀結(jié)構(gòu)，可用于培養(yǎng)身體內(nèi)的細(xì)胞組織。

通過(guò)這種方法，倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員將實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞培養(yǎng)的整體方法概念化，尤其是他們通過(guò)FDM這種3D打印工藝開(kāi)創(chuàng)了經(jīng)濟(jì)性的細(xì)胞組織培養(yǎng)方法，使得研究和患者護(hù)理領(lǐng)域不再那么昂貴和高不可攀。雖然不像PLA那樣常用，倫敦大學(xué)學(xué)院這個(gè)項(xiàng)目的研究重點(diǎn)是熱塑性聚氨酯（TPU）。 因?yàn)槠洫?dú)特的可塑性和彈性質(zhì)量，TPU被科學(xué)家們認(rèn)為是可行的一種材料。

在3D打印機(jī)方面，科學(xué)家們選擇的是市售的兩種商業(yè)機(jī)器：Sharebot Next Generation和Rokit 3Dison Multi，價(jià)格在1,850美元到1,990美元之間�？茖W(xué)家們使用Blender，Slic3r和Makerbot切片軟件創(chuàng)建了培養(yǎng)支架的CAD模型。通過(guò)特別調(diào)整的TPU材料，Achala de Mel 博士的實(shí)驗(yàn)室研究人員證明了快速制造各種不同管狀支架的能力。這些管狀支架具有不同直徑和厚度，其管狀彈性結(jié)構(gòu)是許多器官的共同結(jié)構(gòu)特征。

這些管內(nèi)的填充物被設(shè)計(jì)為細(xì)胞支架，用來(lái)支持細(xì)胞生長(zhǎng)。支架可以設(shè)計(jì)成為細(xì)胞提供物理性質(zhì)，例如剛性差異，幾何形狀，表面粗糙度和各向異性。細(xì)胞可以感知這些差異，并響應(yīng)其增殖的變化。

Achala de Mel 博士發(fā)現(xiàn)3D打印允許在支架內(nèi)創(chuàng)建多重組合（傳統(tǒng)制造方法很難達(dá)到如此高效和可重復(fù)性），從而科學(xué)家們可以通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)獲得關(guān)于細(xì)胞對(duì)于不同的3D打印支架結(jié)構(gòu)反應(yīng)的信息，這些大數(shù)據(jù)以便工程師進(jìn)行詳盡的分析，從而可以選擇更加合適的3D打印設(shè)計(jì)來(lái)生產(chǎn)支架，以達(dá)到預(yù)期的細(xì)胞反應(yīng)。在每個(gè)3D打印管狀支架的實(shí)例中，研究人員測(cè)試不同的大小和填充結(jié)構(gòu)，以找到最適合于重建骨孔隙度的結(jié)構(gòu)，因此有利于血管向內(nèi)生長(zhǎng)。

圖：I）各種3D打印管內(nèi)部的填充結(jié)構(gòu)。 II）管的形狀和尺寸。

研究管裝結(jié)構(gòu)的快速迭代和開(kāi)發(fā)是相對(duì)簡(jiǎn)單的事情，研究人員隨后轉(zhuǎn)向創(chuàng)建一個(gè)模仿人類(lèi)氣管結(jié)構(gòu)的模型。

圖：3D打印氣管模型的結(jié)構(gòu)

考慮到這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，TPU的細(xì)胞培養(yǎng)潛力可以分為兩個(gè)樣本：一個(gè)與人類(lèi)皮膚細(xì)胞結(jié)合，另一個(gè)與支氣管相關(guān)的干細(xì)胞結(jié)合。在培養(yǎng)3和14天后，細(xì)胞顯示出生長(zhǎng)和增殖的積極性。

圖：3D打印TPU細(xì)胞支架上的陽(yáng)性細(xì)胞增殖。

關(guān)于3D打印細(xì)胞培養(yǎng)支架的商業(yè)化前景，Achala de Mel 博士十分看好，她認(rèn)為下一步是討論監(jiān)管資格和相關(guān)倫理，可以設(shè)想在不久的將來(lái)組織工程通過(guò)3D打印的影響將進(jìn)入護(hù)理治療領(lǐng)域，其普遍性就像現(xiàn)在的藥店一樣。

根據(jù)市場(chǎng)研究，TPU用于組織培養(yǎng)支架在美國(guó)也有研究案例，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)就通過(guò)將TPU材料與PLA材料以及氧化石墨烯材料混合打印出具有優(yōu)良的機(jī)械性能的細(xì)胞培養(yǎng)支架。

來(lái)源：3D科學(xué)谷
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